CN106264731A - 一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，属于计算机三维仿真技术领域。该方法包括UKA术后CT图像采集、UKA术前MRI图像采集、数据保存、CT二维图像的导入及三维模型重建、MRI二维图像的导入及三维模型重建、膝关节模型配准与修饰、假体三维模型的构建、UKA术后膝关节模拟假体装配、优化模型、网格划分、定义各部分材料属性、施加载荷与边界条件和模型验证十三大步骤。本发明基于病例进行影像学扫描，试验结果具有针对性，且构建得到的模型更接近真实情况，尤其可应对失败病例或成功病例进行研究，操作过程简单，涉及软件少，只根据实际手术中使用的型号进行对应假体扫描，减少了试验时间与成本。
Description
技术领域
本发明属于计算机三维仿真模拟技术领域，涉及一种用于建立完整的人体膝关节单髁置换术后几何解剖仿真模型的方法，具体涉及一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法。
背景技术
目前已有许多针对膝关节单髁置换手术三维数字化建模及生物力学有限元分析的研究，目的是通过三维模型对膝关节置换术后长期过程中膝关节可能发生的变化进行预测，以在后期手术过程中优化手术操作及指导患者在术后进行有效地康复锻炼和避免损害关节及假体的不良生活方式。同时，借助膝关节三维模型有限元分析，还弥补了复杂的体外生物力学分析及漫长临床随访的不足，使研究者对关节置换术后关节变的接触应力变化及运动参数变化有更直观的把握。
有限元分析结果的准确性在于早期建模的精确性，其中很重要一步就在于假体的模拟装配。以往研究对象是选取正常人膝关节进行二维影像扫描，将扫描图像以DICOM格式保存并输入医学图像处理软件Mimics中，之后构建出正常人膝关节的三维数字化模型。接下来将Mimics软件中构建好的正常人膝关节模型导入计算机辅助工程软件Hypermesh 中，构建手术操作相关的重要轴线，按照单髁置换术手术原则进行模拟截骨，并根据截骨面大小及膝关节相关轴线选择适合的假体进行模拟装配。在此之前，需对所有型号假体进行三维激光扫描，并使用逆向工程软件Geomagic逆向构建所有型号假体的三维模型。
传统方法存在以下劣势：（1）研究、随访的重点就是要将患者自身组织的退变、增生、缺损及实际手术过程中截骨不佳、假体位置不恰当等问题考虑进去，加以分析，而选择正常人下肢进行模拟手术操作，无法真实还原真实的情况，难以做到个体化研究，实验缺乏针对性；（2）研究过程涉及模拟三维建模、模拟截骨及假体安装，难度大，多数情况下并非医生完成，而是工程人员凭借自身经验完成，因此在模拟手术操作及假体安装过程中可能与实际情况出现偏差，截骨不准确及假体安装位置不良，将严重影响后期有限元分析结果；（3）因为事先不知道截骨操作后截骨面大小，无法提前判断选取假体型号，故需对所有假体进行扫描及逆向重建，消耗大量时间、精力、工程量；（4）模拟操作设计工程软件较多，无疑增加成本及时间的消耗。因此如何克服现有技术的不足是目前计算机三维仿真模拟技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，为了克服一贯选取正常人下肢模拟截骨、安装假体来模拟膝关节置换术后下肢生物力学分析，回避病例本身特点、操作难度大等弊端，提供一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，包括如下步骤：
步骤（1），UKA术后CT扫描：
采用SIEMENS 128排双源螺旋CT扫描下肢；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；
扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；
步骤（2），UKA术前MRI扫描：
采用GE 1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；
扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；
步骤（3），数据保存：
将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM 3.0格式存储并刻录到CD-ROM上；
步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regional growing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；
步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regional growing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型；
步骤（6），膝关节模型配准与修饰：
将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型；
步骤（7），假体三维模型的构建：
选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型，使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件Geomagic Studio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型；
所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；
所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体，即三者构成单髁假体；
步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：
在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中LoadSTL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合；选择Registration中的Point Registration功能，通过将假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作，使假体三维模型装配到膝关节模型上，得到装配有假体的膝关节三维模型；
步骤（9），优化模型：
将步骤（8）得到的装配有假体的膝关节三维模型导入Geomagic Studio 逆向工程软件中，进行修补与优化处理；
首先对在CT、MRI扫描获取二维影像数据过程中因被扫描对象移动以及在Mimics软件界面里手动划分膝关节各个组织过程中因手动划分不完全而得到的冗余数据进行去噪处理；基于曲率连续性的原则填充模型表面空洞，去除模型表面的压痕；依据模型表面曲率变化，对曲率变化明显且影响模型轮廓的部分，依据曲率变化明显且影响模型轮廓的部分的中心线提取该部分的轮廓曲线，之后对该部分的轮廓曲线进行编辑，得到平顺的曲线；
接下来在模型表面构建大小均匀的四边形栅格网，调节NURBS曲面精细度并拟合成NURBS曲面，得到优化UKA术后膝关节三维模型；
步骤（10），网格划分：
在Abaqus软件中，对步骤（9）得到的优化UKA术后膝关节三维模型采用四面体进行网格划分；
步骤（11），定义各部分材料属性：
将膝关节模型内所有材料假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料，并在Abaqus 6.10软件中对经步骤（10）网格划分后的优化UKA术后膝关节三维模型赋予对应的材料属性及泊松比，材料属性及泊松比如表1；
表1
步骤（12），施加载荷与边界条件：
将股四头肌肌力简化为400N，平行于股骨干，方向指向股四头肌起点；同时沿膝关节力线施加300N力，以模拟身体重量；设定胫骨不动，股骨在施加力的作用下相对于胫骨发生屈曲、伸直、内收、外展、内旋及外旋六个自由度的运动；针对膝关节三维模型中的骨性组织、软组织及假体部件，定义了股骨假体与股骨、股骨假体与聚乙烯衬垫、聚乙烯衬垫与胫骨假体、胫骨假体与胫骨、髌腱与胫骨、髌腱与髌骨、股四头肌腱与股骨、股四头肌腱与髌骨、内侧副韧带与股骨、内侧副韧带与胫骨、外侧副韧带与股骨、外侧副韧带与胫骨、前交叉韧带与股骨、前交叉韧带与胫骨、后交叉韧带与股骨、后交叉韧带与胫骨、外侧半月板与股骨、外侧半月板与胫骨界面；其中各条韧带两端与骨组织接触区域定义为刚性固定，与骨组织相连；股骨假体、胫骨假体与截骨面间设定为捆绑约束，假体接触面间设置为摩擦，摩擦系数为0.04；
步骤（13），模型验证：
通过对赋予材料属性的优化UKA术后膝关节三维模型施加载荷，模拟膝关节动态屈曲0-120°，提取的是膝关节在分别屈曲0°、30°、60°、90°、120°五个位置下股骨相对于胫骨发生外旋、外展及内收的角度数据，与现有文献数据进行比较，结果一致，证明建模成功。
本发明最终完整的模型是指施加了材料属性、边界条件及载荷后的膝关节模型，此模型可直接用于膝关节动态分析。
作为比较的现有文献为：Hanson GR, Moynihan AL, Suggs JF, Kwon YM,Johnson T, Li G.Kinematics of midial unicondylar knee arthroplasty：an in vivoinvestigation.J Knee Surg,2009,22(3):237-242.
进一步，优选的是步骤（1）所述的CT图像采集扫描参数设定为：双源CT的管电压120kV和70kV，管电流100mA和60mA，层厚0.6mm，层间隔0.6mm，螺距0.5。
进一步，优选的是步骤（2）所述的MRI图像采集扫描参数设定为：矢状位3D质子密度加权成像序列，TR 11000ms，TE 25ms；层厚1.0 mm；层间距0.2mm；回波链 14；激励2次；矩阵192/320；FOV 18。
进一步，优选的是步骤（8）将假体三维模型与相应UKA术后膝关节模型上的对应解剖点进行点对点配准操作时，是依次将股骨假体三维模型、聚乙烯衬垫三维模型、胫骨假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作。
本发明所讨论的点对点配准配方法则是基于病案本身进行研究，尽可能真实还原手术效果，探索手术对研究对象膝关节带来的一系列力学及运动学参数。为失败病例研究、优化手术操作、指导患者术后有效康复锻炼及如何避免不良生活姿势提供有力的证据。本方法属于图像配准技术，它是将来自不同传感器的两幅或多幅影像，在同一目标区域中，构建空间位置上的对准、融合，最终利用各个图像的优势，充分体现在同一个画面中。与图像配准技术在影像学等领域的广泛应用相比，该技术在计算机模拟膝关节置换手术中的应用比较罕见，本发明将使用该技术进行单髁置换模拟手术操作。
本发明术前对其患膝行MRI扫描，术后对患侧下肢行CT扫描。两次扫描结果皆以DICOM格式保存；使用Mimics17.0医学图像处理软件基于CT及MRI扫描数据构建该名患者患膝的三维数字化模型；在Mimics17.0软件中同一界面下使用Move、Rotation操作基于解剖位置将CT构建的髌骨、股骨、胫骨、腓骨和MRI扫描并构建的的内外侧副韧带、前后交叉韧带、外侧半月板、股四头肌肌腱及髌腱进行配准，得到完整的既包含骨性结构又包含主要软组织结构的膝关节三维模型。记录该名患者术中所使用的假体型号，将假体进行三维激光扫描，得到假体点云数据，基于点云数据逆向重建出假体三维模型；将假体模型以STL格式导入重建好的膝关节三维模型界面，基于点对点配准方法，即可将假体较为精确地装配到膝关节相应位置。之后通过Geomagic Studio逆向工程软件将膝关节三维模型精细化处理，为后期有限元分析计算的准确性提供良好的模型基础；随后将模型导入Abaqus软件中进行网格划分，目的在于将复杂的模型细分为有限数量的单元格，使得求解过程大大简化；在此基础上，对膝关节模型内部结构进行材料属性定义、边界条件施加及载荷的施加，最终使膝关节动态屈曲0-120°，实时提取其屈曲过程中股骨相对胫骨的运动模式，并与既往文献进行比对，验证模型有效性。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1.基于病例进行影像学扫描，试验结果具有针对性，且构建得到的模型更接近真实情况，尤其可应对失败病例或成功病例进行研究；
2.操作过程简单，无需手动模拟截骨操作，基本可由医生独立完成，避免了非从医人员由于对医学专业领域不熟悉而导致的试验结果的较大偏差；
3.涉及软件较少，仅需要医学图像处理软件Mimics对膝关节进行初始构建，使用逆向工程软件Geomagic Studio对构建好的模型进行优化，最终使用Mimics软件进行配准操作即可完成模型构建；
4.假体到膝关节上的装配不再依赖于非从医人员的简单经验，而是借助骨科医生对解剖的丰富经验进行点对点配准操作；
5.无需在试验前对所有型号的假体扫描，再根据截骨效果进行装配，而是根据实际手术中使用的型号进行对应假体扫描，减少了试验时间与成本。
6、本发明方法与以往试验相比较：以往试验步骤相对繁琐及复杂，即选择正常人进行CT及MRI扫描，消耗大量医疗资源，且增加正常人身体辐射及因此患病几率，而本试验选择UKA患者进行扫描，不耗费额外医疗成本；以往试验需对所有型号假体进行三维激光扫描并构建假体模型，再根据计算机模拟截骨结果进行假体放置，而本试验仅需根据实际手术中所使用的相应型号假体扫描，大大节省时间及成本；以往试验需对正常膝关节模型进行仿真模拟手术，一方面由非医学专业人员完成，操作与实际手术可能有较大出入，另一方面仿真模拟手术技术难度较大，不同人员操作可较大影响试验结果，而本试验无需人工模拟手术，仅针对UKA术后患者膝关节模型进行简单的相应型号假体装配，大大节省操作时间及成本。
附图说明
图1是膝关节CT扫描二维图像；其中，a为矢状位，b为冠状位，c为轴位；
图2是膝关节MRI扫描二维图像；其中，a为矢状位；b为冠状位；c为轴位；
图3是UKA术后膝关节CT扫描图像导入Mimicsl7.0软件中的示意图；其中，a为下肢冠状位；b为矢状位；c为横断位；d为三维图像；
图4是UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；其中，a为正面观，b为侧面观；
图5是UKA术前MRI扫描图像导入Mimicsl7.0软件中的示意图；其中，a为膝关节冠状位；b为矢状位；c为横断位；d为三维图像；
图6是膝关节软组织结构的三维数字化模型；其中，a为内侧副韧带；b为外侧副韧带；c为前交叉韧带；d为后交叉韧带；e为外侧半月板；
图7是U完整膝关节三维模型；其中，a为正面观，b为侧面观；
图8是所有使用的相应型号假体模型三维激光扫描的实体图；
图9是通过Geomagic Studio 12软件逆向重建并优化单髁假体三维模型；其中，a为正面观，b为侧面观，c为后面观；
图10是将重建好的所有使用的假体三维模型导入Mimics17.0软件中的示意图；其中，1、聚乙烯衬垫；2、股骨假体；3、胫骨假体；
图11是将所有使用的假体三维模型调整、组合好后的示意图；其中，a为正面观，b为侧面观，c为后面观；
图12是在Mimics软件中进行点对点配准操作；其中，a为选择Point Registration功能模块，b为选择对应点进行配准正面观，c为选择对应点进行配准后面观，d为配准后的UKA术后模型正面观，e为配准后的UKA术后模型后面观；
图13是通过Geomagic Studio12软件优化膝关节模型图；a为导入粗糙、存在孔洞的模型，b为去噪，c为提取轮廓曲线，d为构造栅格，e为曲面拟合，f为优化后的UKA术后膝关节模型；
图14是网格划分后的优化UKA术后膝关节三维模型；
图15是UKA术后膝关节不同屈曲角度下的三维有限元模型；其中，a为0°， b为30°，c为60°，d为90°，e为120°；
图16是UKA术后膝关节三维动态有限元模型不同屈膝角度时股骨相对胫骨的运动线状示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
我们选取1名膝关节内侧间室骨性关节炎施行单髁置换术的患者，基于患者本身膝关节进行三维模型构建，具体操作方法方法如下：
步骤（1），UKA术后CT扫描：
采用SIEMENS 128排双源螺旋CT扫描下肢；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；
扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；
CT图像采集扫描参数设定为：双源CT的管电压120kV和70kV，管电流100mA和60mA，层厚0.6mm，层间隔0.6mm，螺距0.5。
步骤（2），UKA术前MRI扫描：
采用GE 1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；
扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；
MRI图像采集扫描参数设定为：矢状位3D质子密度加权成像序列，TR 11000ms，TE25ms；层厚1.0 mm；层间距0.2mm；回波链 14；激励2次；矩阵192/320；FOV 18。
步骤（3），数据保存：
将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM 3.0（Digital Imaging andCommunication in Medicine）格式存储并刻录到CD-ROM上，如图1和图2所示；
步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，可以显示出冠状位、矢状位及轴位的二维图像，如图3。然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regional growing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型，如图4；
步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，如图5，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regional growing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型，如图6；
步骤（6），膝关节模型配准与修饰：
将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型，如图7；
步骤（7），假体三维模型的构建：
选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型（小号股骨假体，小号4mm聚乙烯衬垫，胫骨假体“左AA”型号），使用三维激光扫描仪（3DSS STDLED III型激光扫描仪，上海数造机电科技有限公司）对其进行高速激光扫描和测量，如图8，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件Geomagic Studio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型，如图9；
所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；
所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体；
步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：
在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中LoadSTL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，即重建好的股骨假体三维模型、聚乙烯衬垫三维模型及胫骨假体三维模型，如图10，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合，如图11；选择Registration中的Point Registration功能，通过将假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作，使假体三维模型装配到膝关节模型上，得到装配有假体的膝关节三维模型，如图12；
将假体三维模型与相应UKA术后膝关节模型上的对应解剖点进行点对点配准操作时，是依次将股骨假体三维模型、聚乙烯衬垫三维模型、胫骨假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作；
步骤（9），优化模型：
将步骤（8）得到的装配有假体的膝关节三维模型导入Geomagic Studio 逆向工程软件中，进行修补与优化处理；
首先对在CT、MRI扫描获取二维影像数据过程中因被扫描对象移动以及在Mimics软件界面里手动划分膝关节各个组织过程中因手动划分不完全而得到的冗余数据进行去噪处理；基于曲率连续性的原则填充模型表面空洞，去除模型表面的压痕；依据模型表面曲率变化，对曲率变化明显且影响模型轮廓的部分，依据曲率变化明显且影响模型轮廓的部分的中心线提取该部分的轮廓曲线，之后对该部分的轮廓曲线进行编辑，得到平顺的曲线；
接下来在模型表面构建大小均匀的四边形栅格网，调节NURBS曲面精细度，通过在曲面顶点与顶点之间自动嵌入新的顶点，使得膝关节模型的曲面被分得非常细腻，视觉效果更加平滑致密，最终拟合成NURBS曲面，即使组成膝关节模型的所有离散数据都满足一个共同的函数解析式，通过求取函数解析式的方法完成离散曲面的封闭，得到优化UKA术后膝关节三维模型，如图13；
步骤（10），网格划分：
在Abaqus软件中，对步骤（9）得到的优化UKA术后膝关节三维模型采用四面体进行网格划分；网格划分为有限元分析后期数值模拟分析中极其重要的一步。网格数量将直接影响计算的精度及计算规模。一般而言，网格数量越多，计算精度将增加，但同时可能增加计算规模，消耗过多成本，因此在确定网格数时应充分权衡计算精度与规模之间的关系，力求在最小的消耗下得到较高精度的计算。
本实施例UKA术后膝关节单元数量130416，节点数193787，如图14，网格划分得到单元数及节点数说明模型收敛，即前面模型构建无误。
步骤（11），定义各部分材料属性：
将膝关节模型内所有材料假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料，并在Abaqus 6.10软件中对经步骤（10）网格划分后的优化UKA术后膝关节三维模型赋予对应的材料属性及泊松比，材料属性及泊松比如表1；
表1
步骤（12），施加载荷与边界条件：
将股四头肌肌力简化为400N，平行于股骨干，方向指向股四头肌起点；同时沿膝关节力线施加300N力，以模拟身体重量；设定胫骨不动，股骨在施加力的作用下相对于胫骨发生屈曲、伸直、内收、外展、内旋及外旋六个自由度的运动；针对膝关节三维模型中的骨性组织、软组织及假体部件，定义了股骨假体与股骨、股骨假体与聚乙烯衬垫、聚乙烯衬垫与胫骨假体、胫骨假体与胫骨、髌腱与胫骨、髌腱与髌骨、股四头肌腱与股骨、股四头肌腱与髌骨、内侧副韧带与股骨、内侧副韧带与胫骨、外侧副韧带与股骨、外侧副韧带与胫骨、前交叉韧带与股骨、前交叉韧带与胫骨、后交叉韧带与股骨、后交叉韧带与胫骨、外侧半月板与股骨、外侧半月板与胫骨界面；其中各条韧带两端与骨组织接触区域定义为刚性固定，与骨组织相连；股骨假体、胫骨假体与截骨面间设定为捆绑约束，假体接触面间设置为摩擦，摩擦系数为0.04；
步骤（13），模型验证：
通过对赋予材料属性的优化UKA术后膝关节三维模型施加载荷，模拟膝关节动态屈曲0-120°，提取的是膝关节在分别屈曲0°、30°、60°、90°、120°五个位置下股骨相对于胫骨发生外旋、外展及内收的角度数据，如图15和图16，与现有文献数据进行比较，结果一致，证明建模成功。
本研究建立了UKA术后膝关节由130416个单元数及193787个节点数组成的三维有限元模型，与实体标本相比，外形高度逼真，可较真实代表原物。
膝关节屈曲0-120°时，股骨相对于胫骨发生外旋，屈曲80°前外旋趋势增加，超过80°后，逐渐减小，屈曲80°时达最大外旋角度，约15°；屈曲0-75°时，股骨相对于胫骨外展，屈曲30°时达最大外展角度，约3°；屈曲超过75°后，股骨开始内收，于屈曲120°时达最大内收角度，约2.5°。与文献进行比较，试验结果与以往研究结果一致，证明模型有效。
作为比较的现有文献为：Hanson GR, Moynihan AL, Suggs JF, Kwon YM,Johnson T, Li G.Kinematics of midial unicondylar knee arthroplasty：an in vivoinvestigation.J Knee Surg,2009,22(3):237-242.
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1），UKA术后CT扫描：
采用SIEMENS 128排双源螺旋CT扫描下肢；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；
扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；
步骤（2），UKA术前MRI扫描：
采用GE 1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；
扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；
扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；
步骤（3），数据保存：
将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM 3.0格式存储并刻录到CD-ROM上；
步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regional growing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；
步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：
在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regional growing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型；
步骤（6），膝关节模型配准与修饰：
将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型；
步骤（7），假体三维模型的构建：
选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型，使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件Geomagic Studio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型；
所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；
所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体；
步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：
在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中LoadSTL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合；选择Registration中的Point Registration功能，通过将假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作，使假体三维模型装配到膝关节模型上，得到装配有假体的膝关节三维模型；
步骤（9），优化模型：
将步骤（8）得到的装配有假体的膝关节三维模型导入Geomagic Studio 逆向工程软件中，进行修补与优化处理；
首先对在CT、MRI扫描获取二维影像数据过程中因被扫描对象移动以及在Mimics软件界面里手动划分膝关节各个组织过程中因手动划分不完全而得到的冗余数据进行去噪处理；基于曲率连续性的原则填充模型表面空洞，去除模型表面的压痕；依据模型表面曲率变化，对曲率变化明显且影响模型轮廓的部分，依据曲率变化明显且影响模型轮廓的部分的中心线提取该部分的轮廓曲线，之后对该部分的轮廓曲线进行编辑，得到平顺的曲线；
接下来在模型表面构建大小均匀的四边形栅格网，调节NURBS曲面精细度并拟合成NURBS曲面，得到优化UKA术后膝关节三维模型；
步骤（10），网格划分：
在Abaqus软件中，对步骤（9）得到的优化UKA术后膝关节三维模型采用四面体进行网格划分；
步骤（11），定义各部分材料属性：
将膝关节模型内所有材料假设为各向同性、均匀连续的线弹性材料，并在Abaqus 6.10软件中对经步骤（10）网格划分后的优化UKA术后膝关节三维模型赋予对应的材料属性及泊松比，材料属性及泊松比如表1；
表1
步骤（12），施加载荷与边界条件：
将股四头肌肌力简化为400N，平行于股骨干，方向指向股四头肌起点；同时沿膝关节力线施加300N力，以模拟身体重量；设定胫骨不动，股骨在施加力的作用下相对于胫骨发生屈曲、伸直、内收、外展、内旋及外旋六个自由度的运动；针对膝关节三维模型中的骨性组织、软组织及假体部件，定义了股骨假体与股骨、股骨假体与聚乙烯衬垫、聚乙烯衬垫与胫骨假体、胫骨假体与胫骨、髌腱与胫骨、髌腱与髌骨、股四头肌腱与股骨、股四头肌腱与髌骨、内侧副韧带与股骨、内侧副韧带与胫骨、外侧副韧带与股骨、外侧副韧带与胫骨、前交叉韧带与股骨、前交叉韧带与胫骨、后交叉韧带与股骨、后交叉韧带与胫骨、外侧半月板与股骨、外侧半月板与胫骨的界面；其中各条韧带两端与骨组织接触区域定义为刚性固定，与骨组织相连；股骨假体、胫骨假体与截骨面间设定为捆绑约束，假体接触面间设置为摩擦，摩擦系数为0.04；
步骤（13），模型验证：
通过对赋予材料属性的优化UKA术后膝关节三维模型施加载荷，模拟膝关节动态屈曲0-120°，提取的是膝关节在分别屈曲0°、30°、60°、90°、120°五个位置下股骨相对于胫骨发生外旋、外展及内收的角度数据，与现有文献数据进行比较，结果一致，证明建模成功。
2.根据权利要求1所述的基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，其特征在于，步骤（1）所述的CT图像采集扫描参数设定为：双源CT的管电压120kV和70kV，管电流100mA和60mA，层厚0.6mm，层间隔0.6mm，螺距0.5。
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4.根据权利要求1所述的基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，其特征在于，步骤（8）将假体三维模型与相应UKA术后膝关节模型上的对应解剖点进行点对点配准操作时，是依次将股骨假体三维模型、聚乙烯衬垫三维模型、胫骨假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作。
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